(57)【要約】  【課題】簡単な構成でスイッチング損失を抑制し、変換効率を高めることができるＤＣ−ＤＣコンバータを提供すること。  【解決手段】トランス１の二次側にはＬＣ共振回路３が挿入されている。駆動手段４でスイッチング手段２をオン・オフ駆動すると、トランス１を介して二次側に出力が得られる。電流検出用変流器５と周波数検知部６からなる共振電流周波数検出手段は、ＬＣ共振回路３の作動による共振電流の周波数を検出する。この周波数は駆動手段４へフィードバックされる。この結果、駆動手段４はスイッチング手段２をＬＣ共振回路３の共振周波数に合致した周波数でオン・オフ駆動する。  【選択図】図１
2005168167.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１次側端子と、２次側端子と、１次側巻線および２次側巻線を有し電圧変換比を決定するトランスと、前記１次側端子と前記１次側巻線との間に挿入されたスイッチング手段と、前記スイッチング手段に直列に接続された共振用リアクトルおよびこの共振用リアクトルと共振する共振用コンデンサからなるＬＣ共振回路と、前記スイッチング手段をオン・オフ駆動する駆動手段とを備えたＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、
前記ＬＣ共振回路の作動による共振電流の周波数を検出する共振周波数検出手段と、前記共振周波数検出手段で検出された周波数を前記駆動手段へフィードバックする手段とを設け、
前記駆動手段は、前記共振周波数検出手段で検出された周波数に基づいて前記スイッチング手段を前記ＬＣ共振回路の共振周波数でオン・オフ駆動することを特徴とするＤＣ−ＤＣコンバータ。
【請求項２】
前記共振周波数検出手段を前記トランスの１次側に設けたことを特徴とする請求項１に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ。
【請求項３】
低圧側端子と、高圧側端子と、低圧側巻線および高圧側巻線を有し電圧変換比を決定するトランスと、前記低圧側端子と前記低圧側巻線との間に挿入された低圧側スイッチング手段と、前記高圧側端子と前記高圧側巻線との間に挿入された高圧側スイッチング手段と、前記低圧側スイッチング手段の各スイッチング素子に並列接続された低圧側整流素子と、前記高圧側スイッチング手段の各スイッチング素子に並列接続された高圧側整流素子と、前記低圧側スイッチング手段のスイッチング素子および前記高圧側スイッチング手段のスイッチング素子をオン・オフ駆動する駆動手段とを備えた双方向のＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、
前記高圧側巻線と前記高圧側スイッチング手段との間もしくは前記低圧側巻線と前記低圧側スイッチング手段との間にＬＣ共振回路を設けると共に、
前記ＬＣ共振回路の作動による共振電流の周波数を検出する共振周波数検出手段と、前記共振周波数検出手段で検出された周波数を前記駆動手段へフィードバックする手段とを設け、
前記駆動手段は、前記共振周波数検出手段で検出された周波数に基づいて前記スイッチング手段を前記ＬＣ共振回路の共振周波数でオン・オフ駆動することを特徴とするＤＣ−ＤＣコンバータ。
【請求項４】
前記ＬＣ共振回路を前記高圧側巻線と前記高圧側スイッチング手段との間に設けたことを特徴とする請求項３に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ。
【請求項５】
前記低圧側スイッチング手段および前記高圧側スイッチング手段はいずれも、４つのスイッチング素子をブリッジ接続して構成されることを特徴とする請求項３に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＤＣ−ＤＣコンバータに関し、特に、スイッチング損失を抑制し、変換効率を高めることができるＤＣ−ＤＣコンバータに関する。
【背景技術】
【０００２】
電流共振方式のＤＣ−ＤＣコンバータは、スイッチング手段に直列に接続された共振回路を備え、スイッチング手段を共振回路の共振周波数でオン・オフ駆動する。図４は、ＤＣ−ＤＣコンバータの原理を示す図である。トランス１の１次側には、例えば４つのスイッチング素子のブリッジ接続構成からなるスイッチング手段２が設けられ、２次側には共振回路３が設けられる。共振回路３は、共振用チョーク（リアクトル）と共振用コンデンサからなる。なお、２次側には、さらに整流、平滑手段が設けられるが図示していない。
【０００３】
駆動手段４によりスイッチング手段２を共振回路３の共振周波数でオン・オフ駆動すると、そのオン・オフ駆動周波数に従った周波数でトランス１を介して昇圧あるいは降圧が行われる。
【０００４】
このときの共振回路３の共振周波数ｆは、共振回路３におけるチョークのインダクタンスをＬとし、コンデンサのキャパシタンスをＣとすると、ｆ＝１／２π√ＬＣで表され、例えばＬ＝130μＨ、Ｃ＝0.47μＦであると、ｆ≒20.4ＫＨｚとなる。
【０００５】
図５（ａ）は、スイッチング手段２が共振回路３の共振周波数と同一周波数でオン・オフ駆動されているときに流れる電流の波形図であり、電流がゼロになった時点でスイッチング手段２がオン・オフされる。
【０００６】
ところが、共振回路３を構成するチョークやコンデンサなどの素子は、素子定数（インダクタンス，キャパシタンス）にバラツキがあり、また、素子定数は経年変化し、さらに温度特性に従って周囲温度に応じて変化する。この変化に伴ってスイッチング手段２のオン・オフ駆動周波数と共振回路３の共振周波数とにずれが発生する。このずれは、回路配線の取り回しによるインダクタンスなどによっても発生する。
【０００７】
図５（ｂ），（ｃ）はそれぞれ、スイッチング手段２のスイッチング周期に対して共振回路３の共振周期Ｔ（Ｔ＝１／ｆ）が長くなった場合と短くなった場合の電流波形を示す。同図から明らかなように、スイッチング手段２のオン・オフ駆動周波数と共振回路３の共振周波数とにずれが生じると、共振電流の零クロス付近でスイッチング手段のオン・オフの切り替えが行われないため、スイッチング損失が増大し、十分な性能を得ることができなくなる。
【０００８】
下記特許文献１には、スイッチング手段の駆動周波数と共振回路の共振周波数とのずれをなくすための技術が開示されている。これに開示された技術は、入力電圧および出力電流に基づきスイッチング手段に共振電流が流れている時間を算出し、スイッチング手段のオン時点からの経過時間が、算出された時間になった時点でスイッチング手段をオフに切り替えるというものである。
【特許文献１】特開２００２−５８２４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記特許文献１に開示されているように、入力電圧および出力電流、あるいは共振用リアクトルに流れる電流を検出し、これに基づきスイッチング手段に共振電流が流れなくなるタイミングを算出し、このタイミングでスイッチング手段をオンからオフへ切り替えるという構成では、スイッチング手段のオン時点やオン時点からの経過時間を正確に検知する必要があり、それを実現するための構成が複雑になるという課題がある。
【００１０】
また、上記特許文献１には、共振用リアクトルに流れる共振電流を検出し、検出された共振電流を用いてスイッチング手段に共振電流が流れなくなる時点を求め、求められた時点でスイッチング手段をオンからオフに切り替えるという構成も開示されているが、このような構成でも上記と同様の課題がある。
【００１１】
本発明の目的は、上記課題を解決し、簡単な構成でスイッチング損失を抑制し、変換効率を高めることができるＤＣ−ＤＣコンバータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するため、本発明は、１次側端子と、２次側端子と、１次側巻線および２次側巻線を有し電圧変換比を決定するトランスと、前記１次側端子と前記１次側巻線との間に挿入されたスイッチング手段と、前記スイッチング手段に直列に接続された共振用リアクトルおよびこの共振用リアクトルと共振する共振用コンデンサからなるＬＣ共振回路と、前記スイッチング手段をオン・オフ駆動する駆動手段とを備えたＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、前記ＬＣ共振回路の作動による共振電流の周波数を検出する共振周波数検出手段と、前記共振周波数検出手段で検出された周波数を前記駆動手段へフィードバックする手段とを設け、前記駆動手段は、前記共振周波数検出手段で検出された周波数に基づいて前記スイッチング手段を前記ＬＣ共振回路の共振周波数でオン・オフ駆動する点に第１の特徴がある。
【００１３】
また、本発明は、前記共振周波数検出手段を前記トランスの１次側に設けた点に第２の特徴がある。
【００１４】
また、本発明は、低圧側端子と、高圧側端子と、低圧側巻線および高圧側巻線を有し電圧変換比を決定するトランスと、前記低圧側端子と前記低圧側巻線との間に挿入された低圧側スイッチング手段と、前記高圧側端子と前記高圧側巻線との間に挿入された高圧側スイッチング手段と、前記低圧側スイッチング手段の各スイッチング素子に並列接続された低圧側整流素子と、前記高圧側スイッチング手段の各スイッチング素子に並列接続された高圧側整流素子と、前記低圧側スイッチング手段のスイッチング素子および前記高圧側スイッチング手段のスイッチング素子をオン・オフ駆動する駆動手段とを備えた双方向のＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、前記高圧側巻線と前記高圧側スイッチング手段との間もしくは前記低圧側巻線と前記低圧側スイッチング手段との間にＬＣ共振回路を設けると共に、  前記ＬＣ共振回路の作動による共振電流の周波数を検出する共振周波数検出手段と、前記共振周波数検出手段で検出された周波数を前記駆動手段へフィードバックする手段とを設け、前記駆動手段は、前記共振周波数検出手段で検出された周波数に基づいて前記スイッチング手段を前記ＬＣ共振回路の共振周波数でオン・オフ駆動する点に第３の特徴がある。
【００１５】
また、本発明は、前記ＬＣ共振回路を前記高圧側巻線と前記高圧側スイッチング手段との間に設けた点に第４の特徴がある。
【００１６】
さらに、本発明は、前記低圧側スイッチング手段および前記高圧側スイッチング手段はいずれも、４つのスイッチング素子をブリッジ接続して構成される点に第５の特徴がある。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の第１の特徴によれば、簡単な構成でスイッチング手段の駆動周波数と共振回路の共振周波数とを常に同一に維持することができ、スイッチング損失を抑制することができ、変換効率を高めることができる。また、共振回路を構成する回路素子の素子定数に製造段階でバラツキがあったり、ＤＣ−ＤＣコンバータへの組み込み後にその素子定数に経年変化や周囲温度に応じた変化などがあったりしても、スイッチング手段の駆動周波数が共振回路の共振周波数に一致するように自動調整されるので、回路や素子の設計が容易になる。
【００１８】
また、第２の特徴によれば、共振周波数検出手段と駆動手段とで電圧基準ラインを共通にすることができるので、共振周波数検出手段と駆動手段との間の絶縁が不要になる。
【００１９】
また、第３の特徴によれば、低圧側スイッチング手段と高圧側スイッチング手段を同一の駆動タイミングで動作させることにより、双方向で電力を融通し合う変換が可能になり、その場合のスイッチング損失を簡単な構成で抑制することができる。また、スイッチング手段のスイッチングによる電流波形がＬＣ共振回路で正弦波状にされ、スイッチング手段の駆動周波数がＬＣ共振回路の共振周波数に一致するように自動調整されるので、共振電流の零クロス点に極めて近い時点にスイッチング素子のオフタイミングを維持することができる。これにより、スイッチング損失を大幅に抑制することができる。
【００２０】
また、第４の特徴によれば、ＬＣ共振回路が設けられる高圧側は、電流値が小さいので、ＬＣ共振回路での損失を抑制することができる。
【００２１】
さらに、第５の特徴によれば、高圧側および低圧側のスイッチング手段および整流素子は、いわゆるブリッジ型の単相インバータを構成するので、トランスの構造を簡素化することができる。また、トランスの伝送遅れなどに伴ってスイッチング素子の短絡防止デッドタイムを大きくとったり、スイッチング素子の駆動時間を短くしたりする必要がないため、変換効率を高めることが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、図面を参照して本発明を説明する。図１は、本発明に係るＤＣ−ＤＣコンバータの原理を示す回路図である。以下では図４と同一あるいは同等部分は同一符号で示す。図１が図４と異なるのは、共振回路３の作動による共振電流の周波数を検出する共振電流周波数検出手段を設け、これにより検出された周波数を駆動手段４にフィードバックした点である。共振電流周波数検出手段は、例えばトランス１の一次側の共振電流が流れるラインに対して配置された共振電流検出用変流器５とこれにより検出された共振電流の周波数を検知する周波数検知部６で構成される。
【００２３】
次に、図１の動作を説明する。駆動手段４は、まず、共振回路３の回路素子の素子定数に基づいて設定された共振周波数でスイッチング手段２をオン・オフ駆動する。これによりトランス１の１次側から２次側へのＤＣ−ＤＣ変換が行われる。
【００２４】
共振電流検出用変流器５は、トランス１の１次側巻線に流れる電流を電圧値として検出し、周波数検知部６は、検出された電圧値の変化から周波数を算出することにより電流の周波数を検知する。周波数検知部６で検知された周波数は駆動手段４にフィードバックされる。
【００２５】
駆動手段４は、周波数検知部６で検知された周波数に基づいてスイッチング手段２をオン・オフする。これにより、スイッチング手段２は、周波数検知部６で検知された実際の共振電流の周波数、すなわち共振回路３の現在の実際の共振周波数に合致した周波数でオン・オフされる。したがって、共振回路３を構成する回路素子の素子定数に製造段階でバラツキがあったり、ＤＣ−ＤＣコンバータへの組み込み後にその素子定数に経年変化や周囲温度に応じた変化が生じたりしてもスイッチング手段３のオン・オフ周波数と共振回路３の共振周波数との間のずれは抑制される。
【００２６】
図２は、本発明に係るＤＣ−ＤＣコンバータの実施形態を示す具体回路図である。本実施形態は、低圧側端子７−１、７−２に接続される直流電源と高圧側端子８−１、８−１に接続される直流電源との間でトランス１を介して双方向に電力を融通し合う双方向ＤＣ−ＤＣコンバータとして構成した例である。以下では、低圧側端子７−１、７−２側を一次側、高圧側端子８−１、８−２側を二次側と呼ぶことがある。
【００２７】
トランス１は、一次側の低圧側巻線１−１と二次側の高圧側巻線１−２を含む。この双方向ＤＣ−ＤＣコンバータの昇圧比は、低圧側巻線１−１と高圧側巻線１−２の巻線比により決定される。低圧側スイッチング手段２は、低圧側端子７−１、７−２と低圧側巻線１−１との間に挿入され、高圧側スイッチング手段９は、高圧側端子８−１、８−２と高圧側巻線１−２との間に挿入される。
【００２８】
低圧側スイッチング手段２はＦＥＴなどの４つのスイッチング素子（以下、ＦＥＴと記す。）２−１〜２−４をブリッジ接続して構成することができ、高圧側スイッチング手段９も４つのＦＥＴ９−１〜９−４をブリッジ接続して構成することができる。
【００２９】
ＦＥＴ２−１〜２−４、９−１〜９−４のそれぞれには、ダイオードなどの整流素子が並列接続される。これらの整流素子は、ＦＥＴの寄生ダイオードでよく、別途接続した接合ダイオードでもよい。並列接続された整流素子を合わせれば、低圧側スイッチング手段２および高圧側スイッチング手段９はそれぞれ、スイッチング・整流部と考えることができる。
【００３０】
高圧側端子８−１、８−２と高圧側巻線１−２との間にはＬＣ共振回路３が挿入される。低圧側スイッチング手段２のＦＥＴ２−１〜２−４および高圧側スイッチング手段９のＦＥＴ９−１〜９−４は、ＣＰＵなどからなる制御回路４によりオン・オフされる。なお、低圧側端子７−１、７−２間、および高圧側端子８−１、８−２間に接続されているコンデンサ１０、１１は、出力平滑用コンデンサである。
【００３１】
トランス１の低圧側巻線１−１と低圧側スイッチング手段２との間に共振電流検出用変流器５が挿入され、これによる検出出力は周波数検知部６に与えられる。電流検出用変流器５と周波数検知部６は共振電流周波数検出手段を構成する。
【００３２】
ＣＰＵなどからなる制御回路４は、周波数検知部６で検知された周波数に基づいて低圧側スイッチング手段２のＦＥＴ２−１〜２−４や高圧側スイッチング手段９のＦＥＴ９−１〜９−４をオン・オフする。なお、周波数検知部６は、制御回路４の一部としてソフトウエアで構成することもでき、周波数は、例えば共振電流波形のピーク位置などの特定位置のずれを判断することにより検知できる。
【００３３】
図２の動作の概略を説明する。まず、一次側（図の左側）から二次側（図の右側）へ電力を供給する場合、低圧側スイッチング手段２のＦＥＴ２−１、２−４のペアとＦＥＴ２−２、２−３のペアとを交互にオン・オフさせる。このオン・オフに伴う電流がトランス１の低圧側巻線１−１に流れる。
【００３４】
高圧側巻線１−２に誘起された電流は、ＬＣ共振回路３を通して高圧側スイッチング手段９に入力され、ＦＥＴ９−１〜９−４に並列接続された整流素子により整流され、平滑コンデンサ１１で平滑されて出力される。このとき一次側および二次側に流れる電流は、ＬＣ共振回路３の存在により正弦波状になる。
【００３５】
また、電流検出用変流器５と周波数検知部６からなる共振電流周波数検出手段によるフィードバック機能で、低圧側スイッチング手段２のＦＥＴ２−１〜２−４はＬＣ共振回路３の現在の実際の共振周波数に合致した周波数でオン・オフされる。
【００３６】
以上は、一次側から二次側へ電力を供給する場合の動作であるが、二次側から一次側へ電力を供給する場合も同様である。また、一次側と二次側とを完全同期で、すなわち一次側と二次側とを同一駆動信号で駆動して相互に自動的に電力をやり取りさせる場合も同様である。この場合には、トランス巻線比による一次側と二次側の相対電圧差で電力のやり取りが行われる。
【００３７】
図３は、本発明の適用例を示す回路図である。本例は、発電機１２を含む直流電源とバッテリ１３で電力を融通し合って負荷に電力を供給するシステムに、図２の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータを適用した例である。発電機１２は、例えばエンジン駆動式の３相の多極磁石発電機である。
【００３８】
本適用例においても、電流検出用変流器５と周波数検知部６からなる共振電流周波数検出手段によるフィードバック機能で、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータのスイッチング手段はＬＣ共振回路の現在の実際の共振周波数に合致した周波数でオン・オフ駆動されるので、変換効率を高めることができる。
【００３９】
まず、エンジンの始動時には、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１００の低圧側スイッチング手段を駆動し、これにより昇圧したバッテリ１３のＤＣ電圧を駆動用インバータ（整流回路）１４に印加する。駆動用インバータ１４は、印加されたＤＣ電圧を３相のＡＣ電圧に変換して発電機１２に印加し、これをエンジン始動用電動機として起動する。
【００４０】
エンジンが始動すると、発電機１２はエンジンにより駆動され、駆動用インバータ１４のスイッチング動作は停止される。発電機１２の出力は、整流回路（駆動用インバータ）１４で整流され、レギュレータ１５で調整され、さらにインバータ１６で所定周波数の交流電力に変換されて負荷へ供給される。
【００４１】
バッテリ１３の電圧が低下した時、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１００の高圧側スイッチング手段を駆動すれば、整流回路１４の出力を双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１００により降圧し、降圧した電圧でバッテリ１３を充電することができる。
【００４２】
発電機１２がエンジンで駆動されているときに、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１００の低圧側スイッチング手段と高圧側スイッチング手段とを完全同期で駆動することもできる。このようにすれば、整流回路（駆動用インバータ）１４側とバッテリ１３側とでトランス巻線比による一次側と二次側の相対電圧差に従い自動的に電力のやり取りを行わせることができる。また、この場合はダイオードによる順方向降下電圧（約0.7Ｖ）による損失がなく、スイッチング手段のオン抵抗のみの損失となるため、特に低圧側での効率を高めることができる。
【００４３】
なお、本適用例は、エンジン駆動式発電機からなる直流電源とバッテリ間で電力を融通し合う例であるが、これに限らず、バッテリ、通常の発電機、太陽光発電、風力発電、燃料電池などの適宜の直流電源系で電力を融通し合う場合にも適用でき、例えば、ハイブリッド車両などでの走行電力系と保安電装系とで電力のやり取りを行わせる場合にも適用できる。
【００４４】
以上、実施形態について説明したが、本発明は、種々に変形可能である。例えば、共振電流検出用変流器に代えて抵抗を共振電流が流れるラインに挿入することによっても共振電流を検出することができる。また、電流検出用の変流器や抵抗などは一次側に代えて二次側に設けることもでき、ＬＣ共振回路も二次側ではなく一次側に設けることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明に係るＤＣ−ＤＣコンバータの原理を示す回路図である。
【図２】本発明に係るＤＣ−ＤＣコンバータの実施形態を示す具体回路図である。
【図３】本発明の適用例を示す回路図である。
【図４】ＤＣ−ＤＣコンバータの原理を示す図である。
【図５】ＤＣ−ＤＣコンバータの動作を示す電流波形図である。
【符号の説明】
【００４６】
１・・・トランス、１−１・・・低圧側巻線、１−２・・・高圧側巻線、２，９・・・スイッチング手段、２−１〜２−４，９−１〜９−４・・・ＦＥＴ、３・・・ＬＣ共振回路、４・・・駆動手段（制御回路）、５・・・共振電流検出用変流器、６・・・周波数検知部、７−１、７−２・・・低圧側端子、８−１、８−２・・・高圧側端子、１０，１１・・・平滑コンデンサ、１２・・・発電機、１３・・・バッテリ、１４・・・駆動用インバータ（整流回路）、１５・・・レギュレータ、１６・・・インバータ、１００・・・双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ
【図１】
2005168167.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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